无电解电容永磁电机驱动系统母线电压控制策略研究

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在装备制造、家电和航空航天等传统的驱动控制领域,因功率密度高、结构简单和系统可靠性高等优点,永磁同步电机已经得到了较为广泛的应用。使用大容值的电解电容作为变频器的直流侧电容,可以实现三相输入电解电容永磁电机驱动系统母线电压的稳定和平滑,而电解电容使用寿命较短的缺陷,直接影响驱动系统的使用寿命。此外,尽管功率因数校正电路(PFC)可以提高网侧的功率因数和电能质量,但会降低系统的可靠性和增加系统的成本。薄膜电容的出现解决了电解电容的缺点,首先,薄膜电容器的寿命明显优于电解电容器,从而显著提高了驱动系统的寿命。此外,与电解电容驱动系统相比,无功率因数校正电路(PFC)的无电解电容永磁电机驱动器提高了驱动系统的可靠性。本文主要针对因直流侧电容容值降低导致的电机拍频现象和直流侧易过压的问题进行研究。首先,为了抑制电机电流的低频振荡,提出一种基于母线电压预测的拍频现象抑制策略。根据无电解电容永磁同步电机驱动系统的结构和工作原理,通过建立小信号模型,阐明了直流侧电容容值对母线电压波动的影响。分析数字控制方法存在的固有误差和硬件电路采样延迟,会导致定子电流谐波的产生,揭示母线电压采样误差导致机侧拍频现象的机理。利用母线电压波动的周期特性,采用插入式重复控制器预测未来几个开关周期的母线电压信息,通过重构用于计算脉宽调制占空比的母线电压,以实现对电机电流拍频现象的抑制,降低了电机电流的谐波畸变率。直流侧电容容值降低导致直流侧储存能量的能力变弱,为了防止直流侧过压,提出一种基于交轴电流调节的直流母线防过压控制策略。传统的限制交轴电流的防过压控制方法,由于电流环带宽的限制,q轴电流存在固有的控制误差,会导致较大的母线电压控制误差。因此,本文研究将实际q轴电流控制在OA附近的防过压控制方法,通过实时判断q轴电流,及时关断电压控制器的输出,防止因控制器带宽导致母线电压泵升,可以实现急减速和急卸载再生制动运行工况下母线电压的有效控制,能够将母线电压控制在预设值范围之内,提升了驱动系统运行的安全性。为了提高电机制动过程中的动态性能,提出一种直流母线电压控制器参数自适应的防过压控制策略。基于交轴电流调节的直流母线防过压控制策略采用固定的控制器参数,无法实现在不同工况下的最优控制,因此,通过分析参数最优时基于交轴电流调节的直流母线防过压控制策略的控制、信号框图和关系方程,并作为依据实时计算控制器的最优控制参数,能够实现急减速和急卸载时母线电压有效控制和驱动系统动态性能的提高。经过理论分析和仿真验证,在无电解电容永磁电机驱动实验平台上对所提策略进行实验验证。根据不同工况下的实验结果,能够验证所提策略的可行性和有效性。
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